Ved partikkelakseleratoren LHC (Large Hadron Collider) til CERN på den fransk-sveitsiske grensen nær Genève kolliderer forskerne bitte små partikler ved ekstreme hastigheter for å gjenskape forholdene slik de var i universet like etter The Big Bang.

Målet er å oppdage nye fenomener som teorier ut over dagens kunnskap om partikkelfysikk viser eksisterer, men som ennå ikke har blitt observert i et kontrollert miljø.

Jakter etter ekte humper

Flere sjeldne og viktige partikler, som Higgs-partikkelen, har allerede blitt påvist. Men å oppdage nye partikler er fortsatt som å lete etter nåla i høystakken.

– Fenomenene vi ser etter er ekstremt sjeldne, og det er mulig å bli lurt av allerede kjente bakgrunnsprosesser som vi ennå ikke har forstått alle aspektene ved, men som kan dukke opp i dataene, sier Farid Ould-Saada.

Han er professor i eksperimentell partikkelfysikk ved Universitetet i Oslo og forsker også ved Atlas-eksperimentet ved CERN.

• Les også: CERN girer opp til ny runde med nye oppdagelser

For å oppdage nye partikler ser fysikerne etter «humper» i dataene som med stor sannsynlighet skyldes nye partikler og ikke noe som allerede er kjent. Men for å finne  en slik hump, og dermed påvise eksistensen av den partikkelnåla i høystakken, må forsøkene gjentas mange nok ganger til at statistiske svingninger, eller falske humper, blir svært usannsynlige.

Det krever enorme mengder data.

Et helt nettverk av superdatamaskiner

Så mye data at da CERN analyserte hvilke summer som trengtes for å bygge et datasenter som var stort nok for dem, viste det seg at det kunne bli bygget langt billigere og enklere ved å fordele dataene på institutter og regnesentraler rundt om i verden.

Dermed ble det verdensomspennende LHC Computing Grid utviklet. Dette nettverket av datamaskiner omfatter mer enn 140 datasentre i 33 land.

Datasentrene er koblet sammen ved hjelp av solide, stabile og superraske internettforbindelser. I tillegg kommer spesialtilpasset programvare som gjør at datasentrene kan overføre rådataene raskt fra der de dannes og lagres til der fysikerne analyserer dem.

I de nordiske landene gjøres denne oppgaven av seks superdatamaskinsentre, i Bergen, København, Espoo, Linköping, Oslo og Umeå. Disse sentrene koordineres av Det nordiske e-infrastruktursamarbeidet (NEIC).

– Basert på en lang tradisjon av nordiske samarbeid har vi slått sammen ressursene på mange steder for å kunne tilby de storskala datatjenestene som LHC-eksperimentene trenger, sier Mattias Wadenstein, leder for LHC-aktivitetene ved NEIC.

Begrensninger for et grenseløst forskningsfelt

Infrastrukturen av superdatamaskiner gjør at fysikerne ved CERN kan registrere data fra LHC-eksperimenter, fordele denne informasjonen og gjøre den tilgjengelig for forskere over hele verden.

– Akseleratorene og detektorene ved CERN er som et tidsreisemikroskop. De tar bilder av partikkelkollisjoner for på den måten å gjenskape forholdene slik de var like etter The Big Bang. Uten datasentrene ville det vært som å ha et ekstremt avansert kamera som vi ikke kunne se eller lagre bildene på, sier Ould-Saada.

– Hvilken del av kjeden i denne forskningen er den begrensende faktoren for videre fremgang innen partikkelfysikken?

– For å oppnå enda høyere energi i akseleratorene og dermed øke muligheten for å oppdage mer, prøver vi hele tiden å presse grensene for vår kunnskap og det instrumentene og utstyret kan gjøre. Med mer sofistikerte eksperimenter dannes enda mer data, som igjen krever høyere datakapasitet og mer avansert programvare, sier Ould-Saada.

• Les også: Har CERN oppdaget en hittil ukjent partikkel?

Dermed ligger den begrensende faktoren i alle delene av forskningskjeden, fra kapasiteten til akseleratorene, til prosesseringskraft, til lagringskapasiteten i infrastrukturen som til slutt behandler dataene. Det ansporer til intens forskning for å forbedre alle delene i kjeden.

– Instrumentene og utstyret som vi har i dag er aldri bra nok for det vi vil forske på i morgen, og det er en del av spillet, innrømmer professor Ould-Saada.

Mysterier i tid og rom

I dag er mørk materie et av de største uløste mysteriene innen fysikken og naturvitenskapen generelt. Astronomiske observasjoner viser at så mye som 85 prosent av universets materie består av mørk materie. Vi kan ikke se mørk materie, men det er mulig å påvise hvilken effekt den har i ulike  fysiske fenomener.

Siden mørk materie bare sjelden vekselvirker med vanlig materie, vet ikke forskerne hva mørk materie er. Kanskje er det en partikkel som vi ikke har oppdaget ennå.

– På bakgrunn av astronomiske observasjoner vet vi at mørk materie eksisterer, og vi vet at vi ikke vet hva det er. Dette er faktisk en stor fordel, for da vet vi at noe mangler, noe som vi kan finne, sier Ould-Saada.

Derfor prøver fysikerne ved CERN å skape mørk materie i LHC. Professor Ould-Saada kan ikke si når mysteriet med den mørke materien vil bli løst, eller om det noen gang blir det.

Består mørk materie av en partikkel, er dannelsen av den en ekstremt sjelden hendelse, slik Higgs-partikkelen er. Den ble ikke oppdaget før partikkelfysikkeksperimentene ble kraftig forbedret.

På samme måte som at nordlys en sjelden gang kan oppstå over Sør-Norge, kan antakeligvis mørk materie også vekselvirke med vanlig materie, men bare av og til.

– Vi trenger derfor mange observasjoner før vi endelig kan påvise at mørk materie dannes. Det betyr at vi trenger resultatene fra så mange kollisjoner som mulig for å finne den statistisk signifikante toppen i dataene, sier professor Ould-Saada.

Er det verdt prisen?

Et annet av fysikkens største mysterier er beskrivelsen av tyngdekraften på partikkelnivå. Tyngdekraften er veldig mye svakere enn de andre naturkreftene og partikkelen som overfører denne kraften har ennå ikke blitt oppdaget.

For å forske på tyngdekraft på mikroskopisk skala må forskerne forstå hvorfor den er så svak. Derfor leter fysikerne etter ekstra dimensjoner utenom de tre som vi vanligvis opplever.

Der kan tyngdekraften være en sterkere naturkraft. Dagens superstrengteorier, en utvidelse av dagens teori for partikkelfysikk, opererer med så mye som 10 eller 11 dimensjoner.

– Men er slik forskning i fysikk verdt pengene som brukes på den?

– Mitt svar er at grunnforskningen og alt det som kan komme ut av den er virkelig verdt det. Om vi hadde sluttet med grunnforskning tidligere i historien, hadde vi for eksempel ikke hatt strøm, telefon eller internett i dag.

– Det moderne samfunnet er bygget på grunnforskning. Derfor må vi flytte grensene så langt vi kan, sier Ould-Saada.